JP4901695B2 - 特性計測装置、特性可視化装置、及び電流制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石回転子を有する電動機の特性を計測する特性計測装置、計測された特性を可視化する特性可視化装置、及び当該電動機に供給する電流を制御する電流制御装置に関する。

非特許文献１は、英国はグラスゴー大学のミラー氏等が提唱する、ＡＣ、ＤＣ及びリラクタンスモータにおけるトルク発生の一元化理論について説明している。以下、非特許文献１で説明されている当該理論について簡単に説明する。

スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）の特性の解析には、鎖交磁束（Ψ）−電流（ｉ）線図が伝統的に用いられており、この手法が今日では同期リラクタンスモータにも応用されている。但し、Ψ−ｉ特性から導き出される電磁トルクの概念は、全てのモータにとっての基本原理である。また、Ψ−ｉ線図から磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図が導出され得る。このため、磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図を用いた本理論によって、各種モータの特性を解析及び評価するための一元的な方法が提供される。

図１５は、Ψ−ｉ特性と磁束（Flux）−起磁力（MMF）特性の関係を示す図である。なお、図１５上の符号θは、ステータに対するロータの機械角を示す。Ψ−ｉ特性を示すΨ−ｉ線図は、ある相の相電流に対する鎖交磁束をプロットして得られる。また、巻数による影響を除いた、一相当りの実効的な磁束及び起磁力を得るために、鎖交磁束（Ψ）を一相当りの巻数（Ｎｐｈ）で除算した変数（磁束）と、電流（ｉ）に巻数（Ｎｐｈ）を乗算した変数（起磁力）とを用いれば、磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図が得られる。巻数と磁束との積である鎖交磁束（Ψ）を巻数（Ｎｐｈ）で除算した値は、モータ内の実際の磁束ではないが、実効的な磁束を示す。このようにして、Ψ−ｉ線図から磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図が導出可能である。

図１６は、磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図上の同期リラクタンスモータの予想励磁曲線を示す図である。起磁力に対する磁束を示す予想励磁曲線は、シミュレーションによって機械角θを大きくしながら静的有限要素解析を連続して行うことによって得られ、磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図上に図１６のように示される。また、電磁トルクによって得られるエネルギＷ′は、図１５上の軌跡によって囲まれたハッチング領域で表される。したがって、図１６で想定された同期リラクタンスモータにて発生する電磁トルクのエネルギは、図１６に示された長円形の領域で示される。

ティージェーイー・ミラー（TJE Miller）他著「ＡＣ，ＤＣ及びリラクタンスモータにおけるトルク発生の一元化理論（Unified Theory of Torque Production in AC, DC and Reluctance Motors）」IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1994，１９９４年１０月２日〜６日，ｖｏｌ．１，ｐ．１４９−１５６

上記説明した理論では、磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図が、各種モータで発生するトルクを求めるための理論上の手段として有効であることが説明された。しかし、非特許文献１では、磁束−起磁力特性の実測は行われておらず、実測値の可視化についても当然ながら説明されていない。また、起磁力に対する磁束発生の効率に応じた相電流の制御に関する考察も行われていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、実測によって得られた磁束−起磁力特性を可視化して、当該磁束−起磁力特性に基づく電流の制御を行うことにより、永久磁石回転子を有する電動機の運転効率をさらに向上できる電流制御装置、並びに、当該電動機の特性を計測する特性計測装置、及び計測された特性を可視化する特性可視化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の特性計測装置は、永久磁石回転子を有する電動機の特性を計測する特性計測装置であって、前記電動機が無通電時に、前記電動機のロータ（例えば、実施の形態でのロータ１０３）が外部動力によって回転されている状態で、前記ロータの電気角度毎に、前記電動機のステータ（例えば、実施の形態でのステータ１０１）に発生した誘起電圧を検出する誘起電圧検出部（例えば、実施の形態での誘起電圧検出部１１７）と、前記誘起電圧検出部で検出された誘起電圧を前記電気角度で積分して、前記電動機が無通電時の各電気角度の磁束を導出する誘起電圧積分部（例えば、実施の形態での誘起電圧積分部１１９）と、を備え、前記電動機が通電された状態で、前記ステータに供給する基本波電流に重畳される、当該基本波電流よりも高周波の重畳電流を発生する高周波電流発生部（例えば、実施の形態での高周波電流発生部１３３）と、前記ロータの電気角度毎に、前記ステータに発生した電圧を検出する電圧検出部（例えば、実施の形態での電圧検出部１３５）と、前記ロータの電気角度毎に、前記ステータに供給されている電流を検出する電流検出部（例えば、実施の形態での電流検出部１３７）と、前記電圧検出部で検出された電圧及び前記電流検出部で検出された電流の、前記重畳電流の周波数帯の成分を通過させるフィルタ部（例えば、実施の形態でのハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１３９）と、前記ロータの電気角度から角速度を算出する角速度算出部（例えば、実施の形態での角速度算出部１１３，１４１）と、前記ロータの電気角度毎に、前記フィルタ部を通過した電圧成分及び電流成分、前記電圧成分と前記電流成分の位相差、並びに前記角速度算出部で算出された角速度に基づいて前記ステータのインダクタンスを算出するインダクタンス算出部（例えば、実施の形態でのインダクタンス算出部１４３）と、前記インダクタンス算出部で算出されたインダクタンスを前記フィルタ部を通過した電流成分で積分して、前記電動機が通電時の各電気角度の電流成分毎の磁束を導出するインダクタンス積分部（例えば、実施の形態でのインダクタンス積分部１４５）と、を備えたことを特徴としている。

さらに、請求項２に記載の発明の特性計測装置は、前記電動機が無通電時に、前記ロータの角速度が、前記ステータに誘起電圧が発生する第１の角速度よりも大きく、前記ステータに発生する誘起電圧が電源電圧を越える第２の角速度より小さいという条件を満たすよう、前記外部動力を制御する制御部（例えば、実施の形態での制御部１１１）を備えたことを特徴としている。

また、請求項３に記載の特性可視化装置は、上記特性計測装置によって、前記電動機が無通電時に計測された各電気角度の磁束と、前記電動機が通電時に計測された各電気角度の電流成分毎の磁束とを用いて、前記電動機の磁束−起磁力特性を表す磁束−起磁力線図を作成することを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の特性可視化装置は、前記磁束−起磁力線図上に、同一インダクタンスを示すコンター図を重ねることを特徴としている。

また、請求項５に記載の電流制御装置は、上記特性計測装置によって、前記電動機が無通電時に計測された各電気角度の磁束と、前記電動機が通電時に計測された各電気角度の電流成分毎の磁束とから得られる前記電動機の磁束−起磁力線図上のインダクタンスコンターに基づいて、インダクタンスが所定レベル未満とならないよう、トルク指令及び前記ロータの電気角度から算出した、前記ステータに供給する電流を補正することを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の電流制御装置は、前記ステータに供給する電流として、前記電動機の磁束−起磁力線図上の前記所定レベル未満のインダクタンスを示す領域の電流を、前記所定レベルのインダクタンスに対応するレベルの電流に変換することを特徴としている。

請求項１及び２のいずれかに記載の発明の特性計測装置によれば、永久磁石回転子を有する電動機の磁束−起磁力特性を実測することができる。

請求項３に記載の発明の特性可視化装置によれば、作成した磁束−起磁力線図によって磁束−起磁力特性を可視化できる。

請求項４に記載の発明の特性可視化装置によれば、磁束−起磁力線図上にインダクタンスコンターを可視化できる。

請求項５及び６のいずれかに記載の発明の電流制御装置によれば、起磁力に対する磁束発生の効率に応じて、永久磁石回転子を有する電動機に供給する電流を制御するため、当該電動機の運転効率（消費電力対トルク）を向上できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態で用いられるモータは、磁石式ロータを備えた３相ブラシレスＤＣモータ（以下「３相モータ」という。）である。

＜磁束−起磁力特性の実測及び可視化＞
まず、３相モータの磁束−起磁力特性の実測及び可視化の概念について、図面を参照して詳細に説明する。

（１）磁束−起磁力特性の実測
ａ．無通電時の磁束Ψ０の取得
３相モータが通電していない状態でロータが回転すると、各相のステータコイルには正弦波状の誘起電圧が発生する。磁束Ψ０を取得する際には、無通電状態で、外部動力によってロータを回転させて、３相コイルの内のいずれかのステータコイルで発生した誘起電圧値をロータの電気角度毎にサンプリングする。なお、ロータの回転速度は、ロータの角速度ωが、ステータコイルに誘起電圧が発生するロータの角速度ω１よりも大きく、ステータコイルに発生する誘起電圧が電源電圧を越えるロータの角速度ω２より小さいという条件（ω１＜ω＜ω２）を満たすよう、調整される。

Ｋｅθ＝ｄΨ／ｄθ（但し、Ｋｅは誘起電圧、θは電気角度、Ψは磁束である。）の関係があるため、Ｋｅθを電気角度θ＝０〜θｍで積分する(Ψ＝∫Ｋｅθｄθ)と、電気角度θがθｍのときの磁束Ψが求まる。このため、電気角度毎にサンプリングした誘起電圧値を用いて、各電気角度の磁束Ψ０は次式（１）から導出される。

磁束Ψ０［単位：Ｗｂ＝Ｖ・ｓｅｃ］＝（現電気角度での誘起電圧値［単位：Ｖ・ｓｅｃ／ｒａｄ］）×（現電気角度−前回電気角度［単位：ｒａｄ］）＋（前回の磁束値［単位：Ｗｂ＝Ｖ・ｓｅｃ］） …（１）

図１は、Ｕ相のステータコイルで発生した電気角度θに対する誘起電圧Ｋｅ及び磁束Ψ０の一例を示すグラフである。図１に示すように、Ｕ相のステータコイルで発生する磁束Ψ０は、電気角度θが０度から１８０度となるまでの間に極小値から極大値へと増加し、電気角度θが１８０度から３６０度となるまでの間に極大値から極小値へと減少する。

磁束Ψ０は、無通電状態で得られた値であるため、起磁力が０のときの磁束を示す。このため、各電気角度の磁束Ψ０は、横軸が起磁力ＡＴ、縦軸が磁束Ψ０を示す磁束−起磁力線図の縦軸上にプロットされる。図２は、各電気角度の磁束Ψ０がプロットされた磁束−起磁力線図の一例を示すグラフである。

ｂ．通電時の磁束Ψの取得
３相モータが通電した状態では、３相正弦波の相電流がステータコイルの巻線に供給される。本実施形態では、この３相正弦波の相電流に、位相が１２０度ずつずれた３相正弦波の高周波電流を重畳する。図３は、３相モータに供給される、電気角度又は回転角度に対する３相正弦波の相電流を示すグラフ（ａ）、及び３相正弦波の相電流に重畳される、時間に対する３相正弦波の高周波電流を示すグラフ（ｂ）である。

磁束Ψを取得する際には、固定周波数の基本波電流に固定周波数の高周波電流が重畳された相電流がステータコイルに供給されている状態で、３相コイルの内のいずれかのステータコイルの高周波電流による相電圧値と、高周波電流の相電流値を、ロータの電気角度毎にサンプリングする。

ステータコイルの高周波電流Ｉｈによる相電圧の基本波の実効値Ｖｈは、図４に示されるグラフによって表される。図４に示すように、相電圧の実効値Ｖｈは、ステータコイルの相抵抗成分による実数部“Ｒ・Ｉｈ”と、ステータコイルの相インダクタンス成分による虚数部“ω・Ｌ・Ｉｈ”とから成る。相電圧Ｖｈと高周波相電流Ｉｈの位相差（相力率角）をβとすると、ステータコイルの相インダクタンスＬは、次式（２）から導出される。なお、式（２）中のパラメータ“ω”はロータの角速度を示す。

Ｌ＝（Ｖｈ・ｓｉｎβ）／（ω・Ｉｈ） …（２）

図５は、ロータの電気角度が２８６度のときの、正の高周波相電流Ｉｈに対する相インダクタンスＬをプロットしたグラフの一例である。図５に示す相インダクタンスＬを高周波相電流Ｉｈ＝０〜Ｉｍで積分すると、高周波相電流ＩｈがＩｍのときの磁束Ψが求まる。図６は、ロータの電気角度が２８６度のときの、正の高周波相電流Ｉｈに対する磁束Ψの一例を示すグラフである。同じ電気角度で、負の高周波相電流Ｉｈに対する相インダクタンスＬも求めると、負の高周波相電流Ｉｈに対する磁束Ψのグラフも同様に得られる。

本実施形態では、電気角度毎に正負の高周波相電流Ｉｈに対する相インダクタンスＬをプロットして、電気角度毎に、高周波相電流Ｉｈが正の領域及び負の領域毎にそれぞれ相インダクタンスＬを積分する。その結果、各電気角度の、正負それぞれの相電流に対する磁束Ψを示すグラフを得ることができる。図７は、各電気角度の正の相電流に対する磁束Ψを示すグラフを重ねたグラフである。

（２）磁束−起磁力特性の可視化
前述の（１）磁束−起磁力特性の実測で得られた、図２に示される無通電時の各電気角度の磁束Ψ０のデータと、図７に示される通電時の各電気角度の磁束Ψのデータとを用いて、３相モータが有する磁束−起磁力特性を示すグラフを作成する。なお、起磁力［単位：Ａ］＝相電流×巻数である。

横軸を起磁力ＡＴ、縦軸を磁束Ψとし、図２に示される無通電時の各電気角度の磁束Ψ０を、図７に示される通電時の各電気角度の磁束Ψのｙ切片として、磁束Ψ０及び磁束Ψの各データをプロットすると、図８に示される磁束−起磁力線図が得られる。図８は、起磁力に対する磁束をロータの電気角度毎に表した磁束−起磁力線図の一例を示す。このように、磁束−起磁力特性の実測データを可視化して、背景技術で説明した図１６と同様のグラフを得ることができる。

＜モータに供給する電流制御＞
次に、３相モータに供給する電流の制御の概念について、図面を参照して詳細に説明する。

（１）磁束−起磁力線図上に重ねられるインダクタンスのコンター図の作成
前述の＜磁束−起磁力特性の実測及び可視化＞で得られた図８に示される磁束−起磁力線図を利用して、同一インダクタンスを示すコンター図を作成し、このコンター図を磁束−起磁力線図上に重ねる。インダクタンスＬは、Ｌ＝ｄΨ／ｄＩによって求められ、磁束−起磁力線図中の励磁曲線の傾きによって示される。したがって、磁束−起磁力線図中の励磁曲線の傾きが等しい点を結んだ線を磁束−起磁力線図上に描画することによって、インダクタンスのコンター図を磁束−起磁力線図上に表すことができる。

図９は、磁束−起磁力線図上に表したインダクタンスのコンター図の一例を示すグラフである。図９に示すコンター図には、異なるインダクタンスを示す３つのコンターが示され、２軸の交点から離れたコンターほど低いインダクタンスを示す。

（２）インダクタンスのコンター図を利用した電流制御
インダクタンスのコンターは、起磁力（相電流）による磁束発生の効率を示す。このため、図９に示したコンター図を参照して、インダクタンスが大きな範囲で示される相電流をモータに供給すれば、当該モータの運転効率を向上できる。逆に、インダクタンスが小さな範囲で示される相電流をモータに供給しても、モータの運転効率は良くならない。

図１０は、図９に示したインダクタンスのコンター図上の、インダクタンスが所定レベルよりも小さな範囲を示す図である。図１０に示すように、磁束−起磁力線図上の励磁曲線が描画された領域の内、最も外側のコンターよりも外側の領域（以下「低インダクタンス領域」という。）１１では、最も外側のコンターによって示されるインダクタンスよりも低いインダクタンスである。このため、モータに供給する相電流を低インダクタンス領域１１のレベルまで上げない方が、当該モータの運転効率を向上でき、かつ、消費電力も削減できる。

図１１は、図１０に示したコンター図上の低インダクタンス領域１１を除いた領域で流す電流の、電気角度に対する波形を示す図である。なお、図１１中の点線は、低インダクタンス領域１１を含む領域で流した電流、すなわち正弦波電流の波形を示す。本実施形態では、低インダクタンス領域１１を除いた領域のレベルの電流を３相モータに供給する。このため、３相モータへの電流供給を制御する本実施形態の電流供給制御装置は、電気角度に応じて３相電流の各相電流が図１１の実線で示す波形となるよう制御する。

上記制御を行わない場合は、図１１の点線で示す波形の電流が３相モータに供給される。当該制御を行った場合と行わない場合をトルクの点で比較すると、低インダクタンス領域１１に対応する電流を流しても、当該領域ではインダクタンスが小さいために、あまりトルクは上がらない。また、当該制御を行った場合と行わない場合を消費電力の点で比較すると、図１１中の実線（制御あり）で示される電流の実効値は、点線（制御なし）で示される電流の実効値よりも小さいため、上記制御を行った方が消費電力を低減できる。このように、上記説明したモータへの電流供給制御を行えば、モータの運転効率（消費電力対トルク）は向上する。

＜磁束−起磁力特性の実測を行う特性計測装置＞
（１）無通電時の磁束Ψ０の計測
図１２は、上記説明した磁束−起磁力特性の実測を実現するための、無通電時の磁束Ψ０を計測する特性計測装置を示すブロック図である。図１２に示す特性計測装置は、ステータ１０１、ロータ１０３及びレゾルバ１０５を有する３相モータが無通電時に、ステータコイルに発生する誘起電圧からロータ１０３の電気角度毎に磁束Ψ０を計測する。なお、ロータ１０３は、外部動力によって極低速に回転されている。

図１２に示すように、特性計測装置は、制御部１１１と、角速度算出部１１３と、ｄｑ変換部１１４と、電流供給部１１５と、誘起電圧検出部１１７と、誘起電圧積分部１１９とを備える。なお、電流供給部１１５は、計測用のトルク指令／電流テーブル１５１と、電流ＰＩ制御部１５３と、３相変換部１５５と、インバータ（ＩＮＶ）１５７とを有する。

制御部１１１は、磁束Ψ０の計測指示を受けると、車両に搭載されたエンジンや他のモータ等の外部動力１０７を制御して、ロータ１０３を極低速で回転させる。３相モータに設けられたレゾルバ１０５は、ロータ１０３の機械角度を検出し、検出した機械角度に応じた電気角度θｍを出力する。レゾルバ１０５から出力された電気角度θｍは、角速度算出部１１３、３相変換部１５５、誘起電圧検出部１１７及び誘起電圧積分部１１９に送られる。

角速度算出部１１３は、電気角度θｍを微分してロータ１０３の角速度ωを算出する。角速度算出部１１３によって算出された角速度ωは、制御部１１１に送られる。制御部１１１は、ロータ１０３の角速度ωが、ステータコイルに誘起電圧が発生する角速度ω１よりも大きく、ステータコイルに発生する誘起電圧が電源電圧を越える角速度ω２より小さいという条件（ω１＜ω＜ω２）を満たすよう、外部動力１０７を制御する。当該条件が満たされた後、制御部１１１は、トルク指令T^*=0に設定し、電流供給部１１５のインバータ１５７に設けられたステータ１０１への電流供給を制御するＦＥＴ（電界効果トランジスタ）のゲートをオフ制御する。

なお、ステータ１０１に電流を供給する場合、電流供給部１１５では、トルク指令／電流テーブル１５１を参照して、トルク指令Tに応じたｄｑ座標系の電流Id*, Iq*をｄｑ変換部１１４から得られた電流Id, Iqを用いて電流ＰＩ制御部１５３がＰＩ制御した後、３相変換部１５５が電圧Vd*, Vq*を２相／３相変換し、得られたｕｖｗ座標系の電圧Vu, Vv, Vwをインバータ１５７が３相交流に変換する。このようにして、電流供給部１１５からステータ１０１に３相交流電流が供給されるが、インバータ１５７をゲートオフ制御するとステータ１０１には電流が供給されない。

但し、ロータ１０３が外部動力１０７によって回転されているため、ステータコイルには誘起電圧が発生する。誘起電圧検出部１１７は、各相のステータコイルの誘起電圧を、ロータ１０３の電気角度θｍ毎に検出する。なお、誘起電圧検出部１１７は、３相全ての誘起電圧を検出する必要はなく、少なくともいずれか１相の誘起電圧を検出すれば良い。誘起電圧積分部１１９は、誘起電圧検出部１１７で検出された誘起電圧を上記式（１）を用いて電気角度θｍで積分することによって、各電気角度の磁束Ψ０を導出する。なお、誘起電圧積分部１１９は、内部にメモリ１２１を有し、誘起電圧検出部１１７で検出された誘起電圧の値、及び各誘起電圧が検出されたときの電気角度θｍをメモリ１２１に保持する。

（２）通電時の磁束Ψの計測
図１３は、上記説明した磁束−起磁力特性の実測を実現するための、通電時の磁束Ψを計測する特性計測装置を示すブロック図である。なお、図１３において、図１２と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図１３に示す特性計測装置は、上記説明した３相モータが通電時に、基本波電流に重畳された高周波相電流、及び高周波相電流によるステータコイルの相電圧から相インダクタンスを導出し、相インダクタンスを高周波相電流で積分することによって、ロータ１０３の電気角度毎に磁束Ψを計測する。

図１３に示すように、特性計測装置は、制御部１３１と、高周波電流発生部１３３と、ｄｑ変換部１１４と、電流供給部１１５と、電圧検出部１３５と、電流検出部１３７と、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１３９と、角速度算出部１４１と、インダクタンス算出部１４３と、インダクタンス積分部１４５とを備える。なお、電流供給部１１５は、計測用のトルク指令／電流テーブル１５１と、電流ＰＩ制御部１５３と、３相変換部１５５と、インバータ（ＩＮＶ）１５７を有する。

３相モータに設けられたレゾルバ１０５は、ロータ１０３の機械角度を検出し、検出した機械角度に応じた電気角度θｍを出力する。レゾルバ１０５から出力された電気角度θｍは、３相変換部１５５、電圧検出部１３５、インダクタンス算出部１４３及びインダクタンス積分部１４５に送られる。

制御部１３１は、磁束Ψの計測指示を受けると、一定のトルク指令T*に応じた電流をステータ１０１に供給するよう電流供給部１１５に指示する。電流供給部１１５では、トルク指令／電流テーブル１５１を参照して、トルク指令T*に応じたｄｑ座標系の電流Id*, Iq*をｄｑ変換部１１４から得られた電流Id, Iqを用いて電流ＰＩ制御部１５３がＰＩ制御する。なお、ＰＩ制御には、ステータ１０１に供給される各相電流Iu, Iv, Iwをｄｑ変換した電流Id, Iqが用いられる。３相変換部１５５は、電圧Vd*, Vq*を２相／３相変換して、ｕｖｗ座標系の電圧Vu, Vv, Vwを出力する。

また、制御部１３１は、磁束Ψの計測指示を受けると、固定周波数の高周波電流を発生するよう高周波電流発生部１３３に指示する。高周波電流発生部１３３で発生した高周波電流の高周波電圧Vuf, Vvf, Vwfは、上記説明した各相の電圧Vu, Vv, Vwに重畳される。インバータ１５７は、高周波電流が重畳された電流を３相交流に変換する。ステータ１０１には、高周波成分を含む３相交流電流が供給される。

電圧検出部１３５は、各相のステータコイルに発生した電圧を、ロータ１０３の電気角度θｍ毎に検出する。また、電流検出部１３７は、各相のステータコイルに供給される電流を、ロータ１０３の電気角度θｍ毎に検出する。なお、電圧検出部１３５及び電流検出部１３７は、３相全ての電圧又は電流を検出する必要はなく、少なくともいずれか１相の電圧又は電流を検出すれば良い。

ＨＰＦ１３９は、電圧検出部１３５が検出した電圧及び電流検出部１３７が検出した電流の高周波成分のみを通過させる。ＨＰＦ１３９を通過した相電圧Ｖｈ及び高周波相電流Ｉｈは、インダクタンス算出部１４３に入力される。また、角速度算出部１４１は、電気角度θｍを微分してロータ１０３の角速度ωを算出する。角速度算出部１４１によって算出された角速度ωは、インダクタンス算出部１４３に入力される。

インダクタンス算出部１４３は、相電圧Ｖｈ、高周波相電流Ｉｈ、ロータ１０３の角速度ω、及び電圧Ｖｈと電流Ｉｈの位相差βから上記式（２）を用いてステータコイルの相インダクタンスＬを算出する。インダクタンス積分部１４５は、インダクタンス算出部１４３によって算出された相インダクタンスＬを高周波相電流Ｉｈで積分することによって、角電気角度の磁束Ψを導出する。なお、インダクタンス積分部１４５は、内部にメモリ１４７を有し、インダクタンス算出部１４３で算出された相インダクタンスＬの値、及び各相インダクタンスＬに対応する高周波相電流Ｉｈをメモリ１４７に保持する。

＜磁束−起磁力特性の可視化を行う特性可視化装置＞
特性可視化装置は、図１２に示した特性計測装置が計測した磁束Ψ０（無通電時の各電気角度の磁束Ψ０）及び図１３に示した特性計測装置が計測した磁束Ψ（通電時の各電気角度の磁束Ψ）を用いて、３相モータが有する磁束−起磁力特性を示すグラフ（磁束−起磁力線図）を作成する。なお、図８に示したように、当該グラフの横軸は起磁力（＝相電流×巻数）ＡＴ、縦軸は磁束Ψである。特性可視化装置は、各電気角度の磁束Ψ０を各電気角度の磁束Ψのｙ切片とし、磁束Ψ０及び磁束Ψの各データをプロットする。

＜モータに供給する電流を制御する電流制御装置＞
（１）磁束−起磁力線図上に重ねられるインダクタンスのコンター図の作成
インダクタンスコンター図作成装置は、特性可視化装置によって作成された３相モータの磁束−起磁力特性を示す磁束−起磁力線図を利用してインダクタンスのコンター図を作成し、このコンター図を磁束−起磁力線図に重ねる。その結果、図９に示したようなグラフが得られる。

（２）インダクタンスのコンター図を利用した電流制御
図１４は、３相モータに供給する電流を制御する電流制御装置を示すブロック図である。なお、図１４において、図１２又は図１３と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。図１４に示す電流制御装置は、３相モータのステータ１０１に供給する電流のレベルを、インダクタンスのコンター図が重畳された磁束−起磁力線図に基づいて制御する。

図１４に示すように、電流制御装置は、トルク指令変換部１７１と、電流補正テーブル１７３と、ｄｑ変換部１１４と、電流供給部１１５とを備える。なお、電流供給部１１５は、トルク指令／電流テーブル１５１と、電流ＰＩ制御部１５３と、３相変換部１５５と、インバータ（ＩＮＶ）１５７を有する。３相モータに設けられたレゾルバ１０５は、ロータ１０３の機械角度を検出し、検出した機械角度に応じた電気角度θｍを出力する。レゾルバ１０５から出力された電気角度θｍは、３相変換部１５５及びトルク指令変換部１７１に送られる。

トルク指令変換部１７１は、外部から与えられたトルク指令T*及びレゾルバ１０５から送られたロータ１０３の電気角度θｍから、トルク指令T*を実現するためにステータ１０１に供給する電流Ipを算出した後、電流補正テーブル１７３を参照して電流Ipを補正する。トルク指令変換部１７１は、３相モータの磁束−起磁力特性に基づく、トルク指令T*及び電気角度θｍから電流Ipを導出するためのテーブルを有する。また、電流補正テーブル１７３には、図１０に示す低インダクタンス領域１１を除いた磁束−起磁力線図に基づく、トルク指令T*及び電気角度θｍから補正電流Ip*を導出するためのテーブルが格納されている。電流補正テーブル１７３を参照した補正では、ステータ１０１に供給する電流として、所定レベル未満のインダクタンスを示す領域の電流Ipを、所定レベルのインダクタンスに対応するレベルの電流Ip*に変換する。

トルク指令変換部１７１は、補正された電流Ip*及び電気角度θｍから、トルク指令T*を新たなトルク指令T**に変換する。トルク指令変換部１７１は、トルク指令T**を電流供給部１１５に供給する。電流供給部１１５は、トルク指令／電流テーブル１５１を参照して、トルク指令T**に応じた電流をステータ１０１に供給する。トルク指令T**に応じた電流の一例が図１１の実線で示されている。なお、図１１の点線で示された波形は、変換される前のトルク指令T**に応じた電流を示す。

なお、３相モータの磁束−起磁力特性は温度によって変化するため、電流補正テーブル１７３には、誘起電圧Ｋｅに基づく３相モータの推定温度や外気温によって異なる複数の磁束−起磁力線図に基づくテーブルが格納されていても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、図１２及び図１３に示した特性計測装置によって３相モータの磁束−起磁力特性の実測が行われた後、特性可視化装置によって当該特性が可視化され、電流制御装置は、当該特性を示す磁束−起磁力線図にインダクタンスのコンター図を重畳したグラフに基づく情報に応じてトルク指令を変換することによって、起磁力に対する磁束発生の効率に応じた相電流の制御を行っている。

上述したように、当該制御を行った場合と行わない場合をトルクの点で比較すると、低インダクタンス領域１１に対応する電流を流しても、当該領域ではインダクタンスが小さいために、あまりトルクは上がらない。また、当該制御を行った場合と行わない場合を消費電力の点で比較すると、図１１中の実線（制御あり）で示される電流の実効値は、点線（制御なし）で示される電流の実効値よりも小さいため、上記制御を行った方が消費電力を低減できる。このように、３相モータに供給する電流を本実施形態に従って制御すれば、３相モータの運転効率（消費電力対トルク）が向上する。

Ｕ相のステータコイルで発生した電気角度θに対する誘起電圧Ｋｅ及び磁束Ψ０の一例を示すグラフ 各電気角度の磁束Ψ０がプロットされた磁束−起磁力線図の一例を示すグラフ ３相モータに供給される、電気角度又は回転角度に対する３相正弦波の相電流を示すグラフ（ａ）、及び３相正弦波の相電流に重畳される、時間に対する３相正弦波の高周波電流を示すグラフ（ｂ） ステータコイルの高周波電流による相電圧の基本波の実効値を示す図 Ｕ相の基本波電流の電気角度が２８６度のときの、正の高周波相電流Ｉｈに対する相インダクタンスＬをプロットしたグラフの一例 Ｕ相の基本波電流の電気角度が２８６度のときの、正の高周波相電流Ｉｈに対する磁束Ψの一例を示すグラフ 各電気角度の正の相電流に対する磁束Ψを示すグラフを重ねたグラフ 起磁力に対する磁束を電気角度毎に表した磁束−起磁力線図の一例 磁束−起磁力線図上に表したインダクタンスのコンター図の一例を示すグラフ 図９に示したインダクタンスのコンター図上の、インダクタンスが所定レベルよりも小さな範囲を示す図 図１０に示したコンター図上の低インダクタンス領域を除いた領域で流す電流の、電気角度に対する波形を示す図 磁束−起磁力特性の実測を実現するための、無通電時の磁束Ψ０を計測する特性計測装置を示すブロック図 磁束−起磁力特性の実測を実現するための、通電時の磁束Ψを計測する特性計測装置を示すブロック図 ３相モータに供給する電流を制御する電流制御装置を示すブロック図 Ψ−ｉ特性と磁束（Flux）−起磁力（MMF）特性の関係を示す図 磁束（Flux）−起磁力（MMF）線図上の同期リラクタンスモータの予想励磁曲線を示す図

符号の説明

１０１ ステータ
１０３ ロータ
１０５ レゾルバ
１１１，１３１ 制御部
１１３，１４１ 角速度算出部
１１５ 電流供給部
１１７ 誘起電圧検出部
１１９ 誘起電圧積分部
１５１ トルク指令／電流テーブル
１５３ 電流ＰＩ制御部
１５５ ３相変換部
１５７ インバータ（ＩＮＶ）
１３３ 高周波電流発生部
１３５ 電圧検出部
１３７ 電流検出部
１３９ ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）
１４３ インダクタンス算出部
１４５ インダクタンス積分部
１７１ トルク指令変換部
１７３ 電流補正テーブル

Claims (6)

1. 永久磁石回転子を有する電動機の特性を計測する特性計測装置であって、
   前記電動機が無通電時に、前記電動機のロータが外部動力によって回転されている状態で、
   前記ロータの電気角度毎に、前記電動機のステータに発生した誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、
   前記誘起電圧検出部で検出された誘起電圧を前記電気角度で積分して、前記電動機が無通電時の各電気角度の磁束を導出する誘起電圧積分部と、を備え、
   前記電動機が通電された状態で、
   前記ステータに供給する基本波電流に重畳される、当該基本波電流よりも高周波の重畳電流を発生する高周波電流発生部と、
   前記ロータの電気角度毎に、前記ステータに発生した電圧を検出する電圧検出部と、
   前記ロータの電気角度毎に、前記ステータに供給されている電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部で検出された電圧及び前記電流検出部で検出された電流の、前記重畳電流の周波数帯の成分を通過させるフィルタ部と、
   前記ロータの電気角度から角速度を算出する角速度算出部と、
   前記ロータの電気角度毎に、前記フィルタ部を通過した電圧成分及び電流成分、前記電圧成分と前記電流成分の位相差、並びに前記角速度算出部で算出された角速度に基づいて前記ステータのインダクタンスを算出するインダクタンス算出部と、
   前記インダクタンス算出部で算出されたインダクタンスを前記フィルタ部を通過した電流成分で積分して、前記電動機が通電時の各電気角度の電流成分毎の磁束を導出するインダクタンス積分部と、
   を備えたことを特徴とする特性計測装置。
2. 請求項１に記載の特性計測装置であって、
   前記電動機が無通電時に、前記ロータの角速度が、前記ステータに誘起電圧が発生する第１の角速度よりも大きく、前記ステータに発生する誘起電圧が電源電圧を越える第２の角速度より小さいという条件を満たすよう、前記外部動力を制御する制御部を備えたことを特徴とする特性計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の特性計測装置によって、前記電動機が無通電時に計測された各電気角度の磁束と、前記電動機が通電時に計測された各電気角度の電流成分毎の磁束とを用いて、前記電動機の磁束−起磁力特性を表す磁束−起磁力線図を作成することを特徴とする特性可視化装置。
4. 請求項３に記載の特性可視化装置であって、
   前記磁束−起磁力線図上に、同一インダクタンスを示すコンター図を重ねることを特徴とする特性可視化装置。
5. 請求項１又は２に記載の特性計測装置によって、前記電動機が無通電時に計測された各電気角度の磁束と、前記電動機が通電時に計測された各電気角度の電流成分毎の磁束とから得られる前記電動機の磁束−起磁力線図上のインダクタンスコンターに基づいて、インダクタンスが所定レベル未満とならないよう、トルク指令及び前記ロータの電気角度から算出した、前記ステータに供給する電流を補正することを特徴とする電流制御装置。
6. 請求項５に記載の電流制御装置であって、
   前記ステータに供給する電流として、前記電動機の磁束−起磁力線図上の前記所定レベル未満のインダクタンスを示す領域の電流を、前記所定レベルのインダクタンスに対応するレベルの電流に変換することを特徴とする電流制御装置。

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